一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及流动测量技术领域，尤其涉及一种测量高超声速流动中表面热流率的集成传感器。
【背景技术】
[0002]传感器的设计、制作技术是风洞测热技术中最为关键的环节之一。测量瞬时表面热流率的传感器按工作原理可以分为两大类:表面温度计类及量热计类。前者利用表面温度计测出半无限体的表面温度随时间变化的历史，然后按照热传导理论计算表面热流率。后者是利用量热元件吸收传入其中的热量，测量量热元件的平均温度变化率再计算表面热流率。
[0003]目前在激波风洞内通常采用薄膜传感器，测量原理是依据金属电阻随温度变化而变化的特性，通过半无限一维热传导的假设设计制作的。薄膜传感器主要由金属薄膜、衬底材料和引线构成，如图1所示。金属薄膜一般选用抗氧化、电阻率高，使用范围内电阻温度基本呈线性变化的高纯度金属铂。衬底材料一般选用传热系数稳定、导热系数低、能耐高温的电绝缘材料，衬底材料一般加工为直径为1-3_的玻璃棒，在一端面上镀膜。引线用于连接薄膜和测量导线。
[0004]传统的玻璃棒式薄膜传感器，仅能实现单点测量，不易实现密集测量；在安装时严格要求与模型表面齐平，安装起来不方便；传感器绝缘层环绕一周，使传感器与金属模型连接误差不易控制在试验要求之内；传感器之间测量数据整体性较差。
【发明内容】
[0005]针对上述技术问题，本发明提出了一种精确测量高超声速流动中表面热流率的集成传感器。
[0006]本发明的技术方案为:
[0007]一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，包括:
[0008]玻璃基底，其为一个整体，且为一个平板；以及
[0009]测温元件组，每个测温元件包括在所述玻璃基底的一定区域内采用镀膜工艺制备的一个金属薄膜，相邻的金属薄膜之间彼此隔开一定距离，所有的金属薄膜规则排列，且具有相同的电阻温度特性，所述金属薄膜的材料为铂。
[0010]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所有的金属薄膜在所述玻璃基底上的分布构成若干列，每列沿所述玻璃基底的长度方向排列，相邻两个金属薄膜间隔距离相等；所述金属薄膜长度方向平行于所述玻璃基底的宽度方向设置；每个金属薄膜两端涂抹银浆与引线相连。
[0011]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所有的金属薄膜的形状、面积和厚度均相等。
[0012]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底呈长方形。
[0013]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底的长度为50mm、80mm或100mm，宽度为10mm，厚度为0.8mm。
[0014]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底上形成有20-39个金属薄膜。
[0015]优选的是，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述镀膜工艺为通过对铂金靶进行轰击，使溅射出的离子束沉积于所述玻璃基底。
[0016]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0017](I)传感器集成度最高，提高了测量数据精度；
[0018](2)传感器可与待测模型进行无缝胶结，降低了因安装造成的偏差；
[0019](3)多次重复性试验验证，确保传感器准确性。试验结果表明，本发明集成薄膜传感器，经过23次高低压气流冲刷，损坏率仅为6 %，数据重复性误差在5 %之内。
【附图说明】
[0020]图1为传统单点传感器；
[0021]图2为本发明所述的集成薄膜传感器；
[0022]图3给出了应用本发明的集成薄膜传感器对平板模型的实验测量结果(来流Ma=8.0) ο
【具体实施方式】
[0023]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0024]请参阅图2和图3，本发明提供了一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，包括:玻璃基底，其为一个整体，且为一个平板；以及测温元件组，每个测温元件包括在所述玻璃基底的一定区域内采用镀膜工艺制备的一个金属薄膜，相邻的金属薄膜之间彼此隔开一定距离，所有的金属薄膜规则排列，且具有相同的电阻温度特性，所述金属薄膜的材料为铂。
[0025]本发明设计的集成薄膜传感器可满足对平板模型及有圆柱前缘模型的表面热流率的测量。
[0026]为保证测量数据连续性、整体性，所有的金属薄膜必须要规则排列，且具有相同的电阻温度特性。
[0027]本发明的所述传感器的制造工艺包括两个部分:
[0028](I)镀膜技术。采用双离子源溅射镀膜机，用溅射液对铂金靶不断轰击，溅射出的离子束沉积到基底，形成薄膜。镀膜过程掩膜片与基底完全贴合。
[0029](2)固化技术。对成膜的基底进行高温热处理，使基底上成膜的原子排列更紧密，更有顺序，完成原子的二次排列，使膜片电阻值更稳定。通过低温长时老化，延长时效时间。
[0030]传感器应用之前须进行标定:利用多次测量取平均值，分别标定了冰点和沸点的系数，根据铂的电阻温度线性特性，确定传感器系数。
[0031]传感器的安装方法为:传感器与待测模型须进行无缝胶结，与待测模型的贴合误差在0.l-0.2mm,前后组连接不大于0.1mm,使模型与传感器安装符合实验要求，数据整体性高，一次实验可取得成倍的数据量。
[0032]在高超声速炮风洞内，采用本发明的集成传感器，针对平板模型进行多次不同总压条件下测热试验。试验结果表明，本发明集成薄膜传感器，经过23次高低压气流冲刷，损坏率仅为6%，数据重复性误差在5%之内。利用本发明，获得了一组国内最详细的沿平板中心线热流率测量数据(测点数量约为170个)，如图3所示。
[0033]为了最大的程度提高集成程度，采用以下的排列方式:所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所有的金属薄膜在所述玻璃基底上的分布构成若干列，沿所述玻璃基底的长度方向排列，相邻两个金属薄膜间隔距离相等；每个金属薄膜呈长条形，其长度方向平行于所述玻璃基底的宽度方向设置。
[0034]为了使每个金属薄膜保持相同的电阻温度特性，以保证测量的准确度，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所有的金属薄膜的形状、面积和厚度均相等。
[0035]优选地，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底呈长方形，该形状的玻璃基底容易加工，可控制集成薄膜传感器的生产成本。
[0036]优选地，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底的长度为50mm、80mm或100mm，宽度为10mm，厚度为0.8mm。
[0037]优选地，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述玻璃基底上形成有20-39个金属薄膜，从而可一次性测得20-39组数据(请参阅图2)。
[0038]优选地，所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器中，所述镀膜工艺为通过对铂金靶进行轰击，使溅射出的离子束沉积于所述玻璃基底。
[0039]本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
【主权项】
1.一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，包括: 玻璃基底，其为一个整体，且为一个平板；以及 测温元件组，每个测温元件包括在所述玻璃基底的一定区域内采用镀膜工艺制备的一个金属薄膜，相邻的金属薄膜之间彼此隔开一定距离，所有的金属薄膜规则排列，且具有相同的电阻温度特性，所述金属薄膜的材料为铂。2.如权利要求1所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所有的金属薄膜在所述玻璃基底上的分布构成若干列，每列沿所述玻璃基底的长度方向排列，相邻两个金属薄膜间隔距离相等；每个金属薄膜呈长条形，其长度方向平行于所述玻璃基底的宽度方向设置。3.如权利要求2所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所有的金属薄膜的形状、面积和厚度均相等。4.如权利要求2所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所述玻璃基底呈长方形。5.如权利要求4所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所述玻璃基底的长度为50mm、80mm或100mm，宽度为10mm，厚度为0.8mm。6.如权利要求5所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所述玻璃基底上形成有20-39个金属薄膜。7.如权利要求1所述的测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，其特征在于，所述镀膜工艺为通过对铂金靶进行轰击，使溅射出的离子束沉积于所述玻璃基底。
【专利摘要】本发明公开了一种测量高超声速流动中表面热流率的集成薄膜传感器，包括：玻璃基底，其为一个整体，且为一个平板；以及测温元件组，每个测温元件包括在所述玻璃基底的一定区域内采用镀膜工艺制备的一个金属薄膜，相邻的金属薄膜之间彼此隔开一定距离，所有的金属薄膜规则排列，且具有相同的电阻温度特性，所述金属薄膜的材料为铂。传感器集成度最高，提高了测量数据精度；传感器可与待测模型进行无缝胶结，降低了因安装造成的偏差；多次重复性试验验证，确保传感器准确性。试验结果表明，本发明集成薄膜传感器，经过23次高低压气流冲刷，损坏率仅为6％，数据重复性误差在5％之内。
【IPC分类】G01M9/06
【公开号】CN104931229
【申请号】CN201510324489
【发明人】李素循, 师军, 皇甫根环, 马继魁
【申请人】中国航天空气动力技术研究院
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月12日